Générateur stochastique de séismes en contexte de sismicité faible à modérée : des données à l'aléa. Cas de la France métropolitaine

Stochastic earthquake generator for low-to-moderate seismicity areas : from data to hazard. Application to French mainland

• Auteur / Autrice : Corentin Gouache
• Direction : Jean-Marc Montel, François Bonneau, Pierre Tinard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 25/06/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Vandoeuvre-lès-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Courboulex
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Montel, François Bonneau, Pierre Tinard, Éric Calais, Fabrice Cotton, Celine Beauval, Paola Traversa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Calais, Fabrice Cotton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sismologie

Risque

Processus stochastiques

Simulation, Méthodes de

France

Séismes

Mots clés libres

Sismicité faible à modérée

Générateur de séismes

Stochastique

Aléa

France

Low-To-Moderate seismicity

Earthquake generator

Stochastic

Hazard

France

Résumé

La France métropolitaine est éloignée des principales limites de plaques tectoniques. De ce fait, l'origine de la sismicité est plus difficile à comprendre que dans les régions actives localisées le long des limites de plaques. De plus, les données sismiques disponibles (séismes, accumulation des contraintes dans le sol, failles, mécanismes au foyer, etc.) y sont moins nombreuses. Ces observations sont deux des principaux freins rencontrés lorsque l'on souhaite caractériser l'aléa sismique sur un territoire à sismicité faible à modérée. L'approche proposée dans cette thèse s'appuie sur un générateur stochastique produisant des séismes synthétiques en combinant des observations de terrain et des connaissances théoriques sur la sismicité du territoire d'étude. Ce générateur de séismes se divise en trois parties : (i) le tirage temporel des séismes principaux, suivi du (ii) tirage de leur localisation conditionné par la magnitude et enfin de (iii) la production de répliques associées aux séismes principaux. Le tirage temporel est réalisé à l'aide d'une distribution fréquence – magnitude (DFM) calculée sur l'intégralité du territoire d'étude via la méthode non paramétrique des temps de latence. Ce calcul à l'échelle du territoire entier permet d'augmenter le nombre de données, de diminuer les périodes de retour et donc d'estimer les fréquences de chaque magnitude directement à partir des données. Une attention particulière a été portée à la méthode des temps de latence afin de pallier la faible quantité de données observées notamment pour les fortes magnitudes. Le tirage spatial des séismes principaux nécessite, quant à lui, une régionalisation et une densité spatiale caractérisant la sismicité. La régionalisation permet de limiter spatialement la magnitude maximale autorisée des séismes synthétiques. La localisation d'un séisme synthétique d'une magnitude donnée est tirée dans la densité spatiale uniquement au sein des régions autorisant cette magnitude. Les répliques sont ensuite générées autour des séismes principaux à partir de la loi de Bath et de la distribution proportion – magnitude des répliques. L'aléa associé à chaque séisme (principal et réplique) généré est calculé à l'aide de modèles de prédiction des mouvements du sol pondérés. La pondération est dépendante de la magnitude du séisme et de la distance séisme – site. Cette pondération s'effectue en utilisant la base de données européenne d'accélérations du sol RESORCE. Enfin, l'observation en un site donné des aléas produits par les séismes synthétiques sur un million d'années permet d'estimer les probabilités annuelles de dépassement de seuils d'aléa donnés.

French mainland seismicity is considered as low to moderate due to its remoteness from tectonic plate boundaries. A first consequence is that the origins of its seismicity are harder to understand than in active regions close to tectonic plate boundaries. Another consequence is the lack of available data (earthquakes recorded but also strain rates, active faults...). These two observation make difficult to estimate seismic hazard in low-to-moderate seismic areas. The proposed approach is to generate synthetic earthquakes by combining observation and theoretical knowledge on the seismicity of the studied territory. This generator is based on a three-step scheme: (i) the temporal draw of main shocks, (ii) their spatial draw conditioned by magnitude and finally (iii) the generation of aftershocks they produce. The temporal step needs a recurrence rate. Past seismicity of the whole studied area is analysed thanks to the non-parametric inter event time method in order to obtain this wished recurrence rate. Computing the recurrence rate at the whole territory scale allows to keep the maximum quantity of data, reduce the return periods and so estimate main shock frequencies directly form observed data for each magnitude. An implementation has been developed to overcome the accuracy fall of the inter event time method observed when data are sparse. The spatial step needs a regionalization and a spatial density representing seismicity. The regionalization allows maximum magnitude limitation in space: each region is characterized by an allowed maximal magnitude. Location of a synthetic earthquake with a given magnitude is drawn in the spatial density only within regions that allow this magnitude. Aftershocks are generated around main shocks thanks to the Bath law and the proportion – magnitude distribution of aftershocks. The seismic hazard produced by each of the generated earthquakes (main shocks and aftershocks) is computed thanks to a set of weighted Ground-Motion Prediction Equations. The weights are obtained as function of magnitude and distance thanks to The European ground-motion database RESORCE. Finally, from direct observation of the seismic hazard produced by synthetic earthquakes over one million years, annual probabilities of exceedance can be calculated with ease.